虛擬地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室概念設(shè)計(jì)

王建秀，周 潔，蔣佳翊，劉 琦，葉真華，楊 坪

1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.上海筑邦測(cè)控科技有限公司，上海 200092

地質(zhì)工程專業(yè)和土木工程專業(yè)的學(xué)生都必須掌握一定的地質(zhì)知識(shí)?；A(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)分別是地質(zhì)工程專業(yè)的基礎(chǔ)課和土木工程專業(yè)的骨干課，兩門課程分別配套有基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)和工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生除學(xué)習(xí)理論知識(shí)外，還要求具有一定的動(dòng)手能力，能夠熟練用肉眼鑒定常見的巖石和礦物。而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課時(shí)短，實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間有限，無法滿足同學(xué)們?nèi)找嬖鲩L的學(xué)習(xí)要求。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中巖體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造實(shí)體模型笨重，攜帶不便，沒有與野外真實(shí)的情況一一對(duì)應(yīng)，真實(shí)感不強(qiáng)，教學(xué)效率不高。礦物晶體結(jié)構(gòu)以平面展示為主，無法充分表達(dá)礦物晶體的三維特征。教學(xué)應(yīng)用不夠直觀，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法不能很好地滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。引入虛擬實(shí)驗(yàn)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠很好地解決這些問題。

虛擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為繼網(wǎng)絡(luò)教學(xué)后又一新興實(shí)驗(yàn)手段，能夠有效解決實(shí)驗(yàn)資源有限、教學(xué)方法不全面、展示不充分的困境。美國弗吉尼亞大學(xué)于1989 年提出了虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念，是區(qū)別于理論教學(xué)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的第三種設(shè)計(jì)手段和形式。本研究基于虛擬實(shí)驗(yàn)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1-4]，在軟件系統(tǒng)中構(gòu)建和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室完全一致的場(chǎng)景，以同濟(jì)大學(xué)巖土樓401和403地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室為原型，開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的4013巖礦鑒定虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，讓學(xué)生們?cè)谏砼R其境的虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)、虛擬學(xué)習(xí)、虛擬參觀和虛擬考試，可以有效解決同學(xué)們對(duì)于巖礦鑒定實(shí)驗(yàn)及拓展學(xué)習(xí)的需求，激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，創(chuàng)新虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，能夠有效提升和保持同濟(jì)大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水準(zhǔn)和先進(jìn)性。

一、4013虛擬地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室功能設(shè)計(jì)

1. 虛擬場(chǎng)景背景設(shè)計(jì)

基于虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以同濟(jì)大學(xué)巖土大樓401與403實(shí)驗(yàn)室（圖1與圖2）、520與525教師辦公室為虛擬場(chǎng)，基于BIM模型模擬巖土大樓4樓與5樓的真實(shí)情景，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室需要的角色設(shè)計(jì)、權(quán)限設(shè)計(jì)、導(dǎo)航腳本設(shè)計(jì)、教師虛擬視頻教學(xué)、虛擬幫助、虛擬鏈接設(shè)計(jì)等提出要求及技術(shù)指標(biāo)。

2. 課堂虛擬教學(xué)功能設(shè)計(jì)

圖1 401實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)場(chǎng)景

圖2 403實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)場(chǎng)景

在403虛擬實(shí)驗(yàn)室提供教室的虛擬場(chǎng)景，同學(xué)們可自己選擇座位，其座位所對(duì)應(yīng)的標(biāo)本架里的虛擬巖礦標(biāo)本及其個(gè)體差異和現(xiàn)實(shí)情況完全相同。點(diǎn)開不同層次的抽屜，就可以選擇里面的標(biāo)本，點(diǎn)擊標(biāo)本后，即可以進(jìn)行全方位觀察、描述、測(cè)量，還可以進(jìn)行錘擊、點(diǎn)稀鹽酸、放大鏡觀察、偏光顯微鏡切片觀察等操作。在系統(tǒng)中參考標(biāo)準(zhǔn)范例，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提供有關(guān)該標(biāo)本的標(biāo)準(zhǔn)描述、教師的講解視頻、相關(guān)內(nèi)容網(wǎng)頁的鏈接等。還可以隨機(jī)抽取標(biāo)本，進(jìn)行虛擬巖礦鑒定考試與虛擬評(píng)分等。

3. 課后拓展教學(xué)功能設(shè)計(jì)

在401虛擬實(shí)驗(yàn)室提供展覽室的虛擬場(chǎng)景。同學(xué)們可以根據(jù)展柜上的提示，如礦物、巖石、地質(zhì)構(gòu)造、化石、現(xiàn)場(chǎng)巖樣標(biāo)本等自行選擇參觀內(nèi)容。401實(shí)驗(yàn)室提供了基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱以外大量的其他巖礦標(biāo)本，通過參觀導(dǎo)覽以及與珠寶鑒定、地質(zhì)礦產(chǎn)、巖土工程、工程地質(zhì)類的拓展鏈接，開拓同學(xué)們的視野，為有興趣拓展的同學(xué)提供更大、更好的平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)和虛擬考試的拓展。工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)子集，在教學(xué)中，巖礦標(biāo)本不能滿足學(xué)生學(xué)習(xí)要求時(shí)，也可以在403實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行虛擬的拓展實(shí)驗(yàn)。達(dá)到要求后，到401虛擬實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)拓展學(xué)習(xí)。

4. 虛擬師生交互功能設(shè)計(jì)

按照520教師辦公室和525研究生助教辦公室虛擬實(shí)際場(chǎng)景。學(xué)生可以點(diǎn)擊進(jìn)入520辦公室，進(jìn)行答疑與教師在線交流。教師也可點(diǎn)擊進(jìn)入520辦公室，在那里進(jìn)行正常的辦公和答疑操作。學(xué)生可以點(diǎn)擊進(jìn)入525研究生助教辦公室，與研究生助教進(jìn)行交流和學(xué)習(xí)。

5. 虛擬考試功能設(shè)計(jì)

巖礦鑒定虛擬考試包括兩部分，一部分是有關(guān)結(jié)晶學(xué)、礦物學(xué)、巖漿作用與巖漿巖、外力地質(zhì)作用與沉積巖、變質(zhì)作用與變質(zhì)巖基礎(chǔ)知識(shí)的考核。此部分采用既有題庫，隨機(jī)抽題，限時(shí)回答，百分制評(píng)分的方式。一部分是巖石和礦物的肉眼鑒定，此部分考核為隨機(jī)抽取題庫標(biāo)本，限時(shí)鑒定并給出標(biāo)準(zhǔn)描述，百分制評(píng)分。后臺(tái)設(shè)置考試題數(shù)據(jù)庫，定期更新題庫，改換知識(shí)考核內(nèi)容和考核形式。

6. 移動(dòng)漫游功能設(shè)計(jì)

為讓學(xué)生充分利用碎片時(shí)間學(xué)習(xí)知識(shí)，以上功能部分可在手機(jī)上運(yùn)行，特別是虛擬考試部分，學(xué)生可隨時(shí)注冊(cè)登錄網(wǎng)站，在開放時(shí)間內(nèi)進(jìn)行無限量操作，并生成自我評(píng)價(jià)報(bào)告。

7. 二次開發(fā)功能設(shè)計(jì)

設(shè)置部分自定義庫，作為面向?qū)W生開放的二次開發(fā)平臺(tái)。學(xué)生可在地質(zhì)知識(shí)范疇內(nèi)，自定義并添加主題數(shù)據(jù)庫。主題數(shù)據(jù)庫作為開放數(shù)據(jù)庫，可發(fā)動(dòng)同學(xué)們自發(fā)創(chuàng)建主題，并接納其他同學(xué)的訪問。

8. VR 功能設(shè)計(jì)

在PC平臺(tái)虛擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將三維場(chǎng)景進(jìn)行VR化，借助于LED屏幕、3D眼鏡或虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔和控制板手柄，將以上場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)于虛擬現(xiàn)實(shí)的世界。學(xué)生可借助于自購或租用的頭盔，借助于手柄進(jìn)行虛擬試驗(yàn)操作，能夠有效增加沉浸感和真實(shí)感，甚至可以代替部分實(shí)際操作。

二、4013虛擬實(shí)驗(yàn)室概念設(shè)計(jì)

1． 虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件功能框架

軟件操作流程如框架圖3所示。主要流程為：啟動(dòng)exe文件→用戶登陸→根據(jù)登陸賬號(hào)判斷權(quán)限→漫游場(chǎng)景→進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)/管理→完成相應(yīng)操作后結(jié)束關(guān)閉軟件。

2. 虛擬實(shí)驗(yàn)室概念設(shè)計(jì)方案

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能模塊見表1。

3. 虛擬實(shí)驗(yàn)室漫游場(chǎng)景

軟件界面設(shè)計(jì)原型見圖4。登錄后進(jìn)入漫游場(chǎng)景，用戶可自主選擇進(jìn)入哪些實(shí)驗(yàn)室。選中某個(gè)實(shí)驗(yàn)室后，會(huì)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中。

學(xué)生用戶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景后，進(jìn)入學(xué)習(xí)模式，可以自由互動(dòng)，如自主選擇位置、自主挑選巖樣、自主學(xué)習(xí)課件。根據(jù)需求，可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)考核進(jìn)行專業(yè)考核。完成考核后，成績提交至服務(wù)器。教師可查看成績。

教師用戶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景后，可進(jìn)行資源管理及成績管理（圖5）?？梢哉韺?shí)驗(yàn)室內(nèi)巖樣內(nèi)容，自主上傳課件內(nèi)容。在學(xué)生成績面板中教師能看到已提交考核學(xué)生的成績，并且可以導(dǎo)出成績列表，對(duì)既有成績進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。也可以通過這個(gè)面板查詢學(xué)生是否完成軟件中某些模塊的學(xué)習(xí)。

管理員面板使用二維界面，包含教師、學(xué)生、資源管理等內(nèi)容。主要功能是導(dǎo)入、導(dǎo)出教師、學(xué)生、資源信息及權(quán)限。

圖3 4013虛擬實(shí)驗(yàn)室功能框架

表1 虛擬實(shí)驗(yàn)室功能模塊設(shè)計(jì)

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)室的虛擬場(chǎng)景

圖5 虛擬實(shí)驗(yàn)室教師場(chǎng)景

三、結(jié)束語

本研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以同濟(jì)大學(xué)巖土大樓401和403實(shí)驗(yàn)室為原型，開發(fā)4013虛擬地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，完成了概念設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)中，虛擬了實(shí)驗(yàn)室真實(shí)的場(chǎng)景，虛擬了實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)、課后拓展、虛擬管理、虛擬考試等，為基礎(chǔ)地質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了參考依據(jù)。目前，虛擬實(shí)驗(yàn)室的正式開發(fā)工作正在進(jìn)行中。